PROCEDIMIENTOS.
SE PROCEDIO A HACER UN ANALISIS VISUAL PARA ENCONTRAR ALGUN VEHICULO CON EL SISTEMA DE FRENO REGENERATIVO
SE EMPEZO A HACER LA RECOPILACION DE TODA LA INFORMACION.
SE HISO LA SELECCIÓN DE LA INFORMACION SOBRESALIENTE Y MAS IMPORTATE. SE ELABORO UNA SERIE DE PREGUNTAS Y RESPUESTAS REFERENTES AL SISTEMA DE FRENO REGENERATIVO.
EMPEZAMOS A INVESTIGAR ALGUNOS PUNTOS RELACIONADOS AL TEMA.
SE LLEGO A UNA CONCLUSION.
PROCEDIMOS A ELABORAR CON DATOS CONCRETOS NUESTRA INVESTIGACION.
SE REALIZO LA ENCUESTA CORRESPONDIENTE.
SE DETERMINARON LOS INDICADORES O CAUSAS DE LA PROBLEMÁTICA.
SE PLANTEARON LAS ALTERNATIVAS ADECUADAS EN BASE A LOS RESULTADOS DE LOS
RESULTADO DE INDICADORES. En los últimos años nos hemos acostumbrado a que la actualidad sobre el mundo del automóvil esté envuelta por noticias sobre coches híbridos y eléctricos. Esto es de todo justo ya que se trata de una investigación primordial para las marcas automotrices en poder mejorar este tipo de vehículos con el sistema de freno regenerativo o mejor conocido como KERS, y además está de moda, como ya lo fueron la potencia, la seguridad y la eficiencia en años pasados. Todo apunta a que, efectivamente, serán los coches eléctricos los que pueblen masivamente nuestras carreteras en un futuro no muy lejano. ¿Pero cuánto hay de realidad a día de hoy? Seis preguntas y 20 entrevistados nos dan una visión de la percepción al respecto a coches híbridos y eléctricos. 1.- ¿Usted sabe que es un auto hibrido gasolina-eléctrico? gasolina-eléctrico? Si No He leído o escuchado sobre ellos
0 20 0
0% 100% 0%
1.- ¿USTED SABE QUE ES UN AUTO HIBRIDO GASOLINA-ELÉCTRICO? SI
NO
HE LEIDO O ESCUCHADO SOBRE ELLOS
2.- ¿Compraría un auto hibrido eléctrico que pudiese regenerar su energía mediante un sistema de freno regenerativo? Si No Tal vez
9 5 6
45% 25% 30%
2.- ¿COMPRARIA UN AUTO HIBRIDO ELECTRICO QUE PUDIESE REGENERAR SU ENERGIA MEDIANTE UN SISTEMA DE FRENO REGENERATIVO? TAL VEZ SI
SI NO TAL VEZ
NO
3.- Al ritmo que va avanzando la tecnología y el mercado ¿Cree que es conveniente optar por este tipo de vehículos con este freno regenerativo? Si No En un futuro no muy lejano
6 11 3
30% 55% 15%
3.- AL RITMO QUE VA AVANZANDO LA TECNOLOGIA Y EL MERCADO ¿CREE QUE ES CONVENIENTE OPTAR POR ESTE TIPO DE VEHICULOS CON ESTE FRENO REGENERATIVO? SI NO EN UN FUTURO NO MUY LEJANO
4.- ¿Cree que este tipo de vehículos deberían tener apoyo del gobierno, ya sea del estatal o federal? Si No Tal vez
17 0 3
85% 0% 15%
4.- ¿CREE QUE ESTE TIPO DE VEHICULOS DEBERIAN DE TENER APOYO DEL GOBIERNO, YA SEA ESTATAL O FEDERAL? SI NO TAL VEZ
5.- ¿Cree que con este tipo de automóviles se reducirá la contaminación del medio ambiente y la reducción de combustibles fósiles? Si No Tal vez
12 4 4
60% 20% 20%
5.- ¿CREE QUE CON ESTE TIPO DE AUTOMÓVILES SE REDUCIRÁ LA CONTAMINACIÓN DEL MEDIO AMBIENTE Y LA REDUCCIÓN DE COMBUSTIBLES FÓSILES? SI NO TAL VEZ
6.- Si le llegaran a ofrecer el cambio de su vehículo por uno hibrido gasolina-eléctrico ¿Usted lo cambiaria? Si No Tal vez
18 0 2
90% 0% 10%
6.- SI LE LLEGARAN A OFRECER EL CAMBIO DE SU VEHÍCULO POR UNO HIBRIDO GASOLINA-ELÉCTRICO ¿USTED LO CAMBIARIA? SI NO TAL VEZ
MARCO TEORICO. En este apartado, quizá el más importante de todo el trabajo, se explicará las diferentes clases del dispositivo existentes, el funcionamiento físico del mismo, sus implicaciones y su manejo.
El KERS es un elemento que se viene usando en la Formula 1 desde hace unas temporadas. Siempre se habla de que este sistema aprovecha la energía de las frenadas, lo que es cierto. Las siglas KERS vienen del inglés y significan Kinetic Energy Recovery System, o sea, sistema de recuperación de energía cinética.
Los frenos regenerativos son un mecanismo de frenado para el vehículo que permite generar energía a partir de la energía cinética, por lo general energía eléctrica, para recargar las baterías. En todo caso el concepto abarca toda una modalidad de formas de almacenamiento, incluyendo la conversión de energía en forma hidráulica o neumática, pero el ejemplo de más connotación en la actualidad es en automóviles eléctricos e híbridos. La idea es recuperar parte de la energía involucrada en el frenado, cosa que en los frenos a fricción se libera en forma de calor ocasionando una pérdida considerable de energía. En el caso de los frenos regenerativos, es el mismo motor eléctrico que asiste en el frenado, haciendo durante este proceso de generador (un motor eléctrico es básicamente un generador, al que se le aplica corriente eléctrica en vez de generarla; piensa en el
caso de un dínamo, muy similar en cuanto a funcionamiento básico con uno de estos motores). Al estar generando electricidad, el flujo de corriente en la armadura es opuesto en comparación con lo que ocurre cuando el generador hace de motor, lo que ejerce un torque opuesto a la marcha. El frenado regenerativo se utiliza en automóviles que están actualmente en el mercado, como el Volt de Chervrolet, el Prius de Toyota, y otros. En todo caso el concepto no tiene nada de nuevo ni revolucionario, y se viene usando en trenes eléctricos desde hace décadas; la diferencia está que en el caso de los automóviles la energía generada se usa para extender la carga de la batería, mientras que con los trenes la electricidad va al sistema de suministro centralizado. Incluso hay casos en líneas de trenes donde se comparte una fracción de esta energía generada en exceso a la comunidad. Es importante notar que el freno regenerativo no reemplaza por completo al freno convencional de fricción, dado que a bajas velocidades va perdiendo efectividad. Aparte, el sistema podría fallar lo que requiere de un respaldo. También se puede dar el caso en una emergencia de requerir un frenado muy por sobre la capacidad del sistema, lo que sólo se puede lograr mediante el frenado convencional. No se deben confundir los frenos regenerativos con el frenado dinámico, donde se disipa energía mediante resistencias, en forma de calor (se puede combinar este mecanismo en conjunto con el frenado regenerativo para disipar la energía en exceso que pueda haber).
Existen dos tipos de frenos regenerativos que son:
Eléctrico Mecánico
Freno Regenerativo Eléctrico: Aprovechando las capacidades reversibles
de las máquinas eléctricas, se dispone un motor generador en la línea de
tracción de tal manera que durante las frenadas funciona de generador y cuando se pulsa el botón, empuja junto con el motor de combustión. Al frenar, el motor generador, aplica una restricción al movimiento relacionado con el campo magnético, de tal manera que ésta es vencida por el propio movimiento del vehículo. Esto involucra que parte de la energía cinética del vehículo se emplee en vencer esa resistencia magnética citada, lo que induce un movimiento del generador, que hará que dicha energía se convierta en eléctrica. Parte de esta energía se perderá en rozamientos, temperaturas y demás pero una gran parte de la misma terminará almacenada en los acumuladores eléctricos.
Esto implica que además del motor generador, es necesario un paquete de baterías con unas características muy concretas que sirvan para almacenar y suministrar la electricidad en la cantidad y con la velocidad adecuadas. Por tanto, este sistema consta de un motor generador dentro de la línea de tracción del vehículo, un sistema de gestión y como no, un sistema de almacenamiento de energía, en este caso unos acumuladores eléctricos. Freno Regenerativo Mecánico: De igual manera que en el eléctrico, se
dispone un sistema en la línea de tracción para almacenar energía pero en este caso, de forma totalmente mecánica. Para ello se dispone un disco o conjunto de discos con una masa concreta, que durante la frenada se hacen girar. Una vez terminada la frenada, estos discos siguen girando almacenando parte de la energía disipada en la frenada como energía cinética de rotación.
Al pulsar el botón de KERS, el sistema de inercia se acopla y el movimiento de los discos se devuelve a la línea de tracción. Intuitivamente, se desprende de la idea que se necesitan discos con peso y velocidad de giro adecuado y alto. El principio de funcionamiento es similar al del volante de inercia de los vehículos comerciales.
Tanto el eléctrico “híbrido” como el convencional están gobernados p or
una unidad basada en la electrónica de potencia, que bien puede estar integrada en la ECU, o estar alojada como un periférico gobernado por la centralita. Ambos están formados por un motor eléctrico de continua, sólo que en la versión híbrida no actúa como alternador, mientras que en la puramente convencional sí es capaz.
La principal diferencia, como ya se ha esbozado con anterioridad, está en el uso de baterías químicas (en este casi de ion litio) en el KERS “corriente” frente al almacenamiento de energía cinética en un volante de inercia; característica correspondiente de la versión híbrida.
De una manera general podemos explicar la frenada regenerativa de la siguiente manera, el motor hace la función de un generador de energía y durante la frenada son las propias ruedas las que hacen que el motor siga girando, justo al contrario de la aceleración, en donde el motor transmite la potencia a las ruedas. De esta manera, el motor, que sigue girando mientras se frena, hace la función de un generador, enviando la energía obtenida a un acumulador o batería que la almacena para su posterior uso.
Un disco de freno o tambor es presionado por un compuesto de ferodo al aplicar presión sobre el pedal. El rozamiento entre el disco o tambor metálico y el ferodo disminuye la velocidad del vehículo y genera grandes cantidades de calor que se emiten al aire. En un freno regenerativo, el dispositivo que realiza la reducción de la velocidad del vehículo es un generador eléctrico, o lo que es lo mismo, un
motor eléctrico funcionando en sentido inverso. Este generador va acoplado a una transmisión, normalmente a la existente en el vehículo de forma que podemos dosificar la cantidad de frenada que aplicamos en cada momento.
El funcionamiento es muy similar a cuando reducimos una marcha en un motor de explosión y no estamos acelerando. En ese momento, notamos una disminución de la velocidad ya que las ruedas pasan a mover el motor, teniendo que vencer sus resistencias internas. En un freno regenerativo además, lo que conseguimos es generar electricidad.
En los vehículos eléctricos y en los híbridos la energía cinética se convierte a energía eléctrica y se almacena en condensadores o baterías para un uso posterior. También existe una transformación de la energía cinética a un almacenaje de energía cinética que salva el gasto
de conversión. Funciona al conducir parte de la frenada a un giroscopio que la devuelve en el momento de acelerar. El freno tradicional por fricción está presente de manera conjunta con el KERS porque una vez recargadas las baterías o condensadores o acelerado el giroscopio hasta el punto en el que gire a la misma velocidad que el eje, ya no frenan el vehículo así que hay que contar con los frenos tradicionales para poder detener el vehículo sin peligro. En un vehículo híbrido la energía recuperada se utiliza para mover el coche cuando existe carga suficiente, este movimiento resulta totalmente gratuito y es uno de los pilares del ahorro energético de estos vehículos. En un eléctrico o un Plug-in, la energía igualmente recarga las baterías, aunque provee de un porcentaje mucho más bajo de la energía total, dada la alta capacidad de las baterías.
Para entender el modo de recuperación tenemos que ver al KERS como un motor eléctrico con su batería. Entonces, al comprender el funcionamiento de un motor eléctrico entenderemos el KERS como receptor de energía. El funcionamiento de los motores eléctricos puede tener dos direcciones. Cuando la corriente se dirige al motor eléctrico provoca el movimiento de la bobina en el campo magnético y se gasta su energía en el movimiento cinético del eje. Entonces, si nosotros movemos ese eje, la electricidad comenzaría a fluir en el sentido contrario hacia la batería o condensador. Se recupera de ese modo la energía. Estos procesos se pueden ver en directo en la pantalla informativa que los híbridos disponen donde indican que fuerza está moviendo el coche y cómo se está recuperando energía de las baterías. El frenado eléctrico también puede funcionar como el tradicional calorífico ya que unas resistencias eléctricas generan calor. Este sistema se basa en enviar la energía generada por la frenada eléctrica a resistencias que gasten esa energía. Esta aplicación se puede utilizar, por ejemplo, para el aire acondicionado.
En comparación con el motor de combustión o explosión es como si al reducir el motor girara al revés y convirtiera todos los residuos que se iban por el escape en gasolina que entrara al depósito. Otro punto para el motor eléctrico.
-El primer vehículo que introdujo esta nueva tecnología fue el AMC Amitron, en 1967, un prototipo eléctrico que alcanzaba una modesta velocidad de 80 km/h pero que tenía una autonomía de unos 240 km por cada carga de baterías, las cuales tenían un peso total de unos sólo 91 kg. A su vez, disponía de dos tipos de baterías, unas de litio-níquel, que funcionaban cuando el coche viajaba a velocidad de crucero, y níquelcadmio que eran utilizadas en las aceleraciones. Entre las diversas innovaciones que disponía, cabe destacar la de la frenada regenerativa, con la se recargaban sus baterías cuando se frenaba el vehículo, proporcionando así una mayor autonomía. También disponía de soluciones ingeniosas como la de asientos inflables que se podían poner o quitar dependiendo de su uso.
-Volvo realizará las pruebas del volante de inercia KERS en carreteras públicas, el próximo otoño. El fabricante sueco ha recibido una subvención estatal de 6,57 millones de coronas suecas (más de 730.000 euros) para desarrollar, dentro del proyecto conjunto entre Volvo Powertrain y SKF, una tecnología de recuperación de energía cinética procedente de la energía de frenado.
Esta tecnología ofrece la posibilidad de reducir el consumo de combustible hasta un 25% y, además, proporciona al conductor 80 CV adicionales. El nuevo sistema está incorporado al eje trasero y durante la reducción, la energía del frenado hace que el volante de inercia gire a 60.000 rpm. Cuando el vehículo vuelve a ponerse en marcha, la rotación del citado volante se transmite a las ruedas traseras mediante una transmisión especial. El motor de combustión que mueve las ruedas delanteras se desconecta cuando empieza el frenado.
La energía del KERS puede utilizarse para acelerar el vehículo cuando tiene que ponerse en marcha o para propulsarlo cuando alcanza una velocidad constante. Puesto que la duración del almacenamiento de energía es limitada, esta tecnología es más efectiva cuando el coche se para y arranca en repetidas ocasiones. Por lo tanto, se ahorraría más combustible en ciudad o cuando se realiza una conducción activa. -Toyota es una de las empresas más expertas en sistemas híbridos las ventas del Prius avalan esta afirmación pero la hibridación del GT 86 no tendrá en mente el ahorro de combustible, sino las prestaciones, una aproximación de lo más prometedora. Uno de los motivos por los que Tetsuya Tada promovió el desarrollo de un motor de alto régimen de giro para el nuevo “Hachiroku” fue aprovechar el sistema para aplicar KERS. El
KERS ya se ha empleado con éxito en el Toyota TS030, vencedor de su clase en las últimas 24 Horas de LeMans.
-El limitadísimo LaFerrari fue lanzando en el Salón del Automóvil de Ginebra en marzo del 2013 (tan sólo fueron producidas 499 unidades). La tecnología híbrida empleada, conocida como HY-KERS, representa la combinación perfecta entre alto rendimiento y baja emisión de contaminantes (apenas 330 gramos d CO2 por kilómetro recorrido). El desarrollo de una serie especial limitada representa para Ferrari una oportunidad de probar todas las soluciones tecnológicas que después serán utilizadas en otros automóviles. La introducción del sistema híbrido se
convirtió en una solución que no huye de los valores fundamentales de Ferrari: alto rendimiento y placer a la hora de manejar.
Este tipo de vehículos presenta sobre los tradicionales las siguientes ventajas:
Son capaces de conseguir una eficiencia doble, lo que se consigue por la supresión de la mayor parte de las pérdidas de potencia que se producen en los vehículos tradicionales.
El sistema de frenado tiene a su vez capacidad regenerativa de la potencia absorbida, lo que reduce las pérdidas de eficiencia.
El motor se dimensiona solo para una potencia promedio, ya los picos de potencia los proporciona la fuente de energía alternativa. Esto además permite que el motor funcione siempre en su punto óptimo o muy cerca de él. Por ello su eficiencia resulta doblada, pudiéndose aligerar el peso y volumen hasta en un 90%.
El motor puede desactivarse durante la marcha cuando no se necesita
La eficiencia del combustible se incrementa notablemente, lo que se traduce en reducción de las emisiones.
Incremento de autonomía, ya que esta depende del combustible almacenado en el tanque
Alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas
La unidad auxiliar no funciona continuamente, ya que se desactiva automáticamente cuando no es necesaria
Se elimina la necesidad de recargar las baterías cuando estas se agotan
El motor de combustión interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad, lo que incrementa su eficiencia
Este sistema de propulsión pesa alrededor de una cuarta parte como mucho de lo que pesa un vehículo de baterías eléctricas, que debe arrastrar media tonelada de baterías bajo el piso.
Desventajas Mayor peso que un coche convencional (hay que sumar el motor eléctrico y, sobre todo, las baterías), y por ello un incremento en la energía necesaria para desplazarlo.
Más complejidad, lo que dificulta las revisiones y reparaciones del mismo.
Por el momento, también el precio.
Conclusión. El motor es usado como generador para recargar las baterías. Durante el frenado regenerativo parte de la energía cinética es absorbida por los frenos y transformada en energía eléctrica. En consecuencia, el aumento en el rango de un vehículo hibrido gasolinaeléctrico alcanza un sumo rendimiento de energía. Y a su vez, se reduce el desgaste de los frenos y por consiguiente, se reducen los costos de mantenimiento. Un sistema de frenado regenerativo no es capaz de cubrir todas las necesidades de frenado de un automóvil. Debido a este detalle al momento de diseñar un auto hibrido gasolina-eléctrico se debe considerar la implementación de un sistema de frenos hidráulicos y el sistema de freno regenerativo, ya que estos son dos sistemas muy distintos en su tipo de función. La combinación de estos sistemas requiere de la construcción de un sistema computacional que está encargado de coordinar todo el tiempo a ambos sistemas de frenado de modo que no haiga problemas o fallas entre ellos. Cabe destacar que la utilización de este tipo de sistema de freno regenerativo opta al automóvil un mayor ahorro de energía, pero a su vez es muy complejo y de un alto precio.
Recomendaciones. En este trabajo se pudo apreciar la gran utilidad que presenta la incorporación de un sistema de frenado regenerativo en el motor, tal como se indicó en la conclusión. Dado que este trabajo (auto hibrido gasolina-eléctrico) es a pequeña escala, con fines académicos y considerando los límites de tiempo en la realización del mismo, NO recomiendo la utilización de este sistema ya que presenta un grado de complejidad y estudio necesario para su correcta utilización. Sin embargo es importante estudiar las bases teóricas y funcionamiento para una posible incorporación en el futuro. Junto con lo anterior se debe mencionar que a la aplicación de un sistema de frenado regenerativo depende de la conexión interna del motor y del sistema de control que se esté utilizando. Por lo tanto representa un nivel de complejidad superior en un proyecto que cuenta con poco tiempo para su desarrollo.
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Anexo. Ferrari 599 HY-KERS híbrido
En el 80º Salón Internacional de Ginebra, Ferrari presentó un vehículo experimental basado en el Ferrari 599 GTB Fiorano y está equipado con un conjunto moto propulsor híbrido. En informes anteriores se había puesto de manifiesto un esquema híbrido, supuestamente de Ferrari, y la compañía confirmó posteriormente intenciones de mostrar a Ferrari 599 híbrido en Ginebra.
Para no retrasarse con respecto a los competidores, sobre todo de Porsche, el equipo italiano había estado trabajando en un plan de cinco años para reducir el consumo de combustible y emisiones de C02 en toda su gama. Con el nombre de HY- KERS, el sistema consiste en baterías planas de litioion, un motor V12 de gasolina y una transmisión de doble embrague y 7 velocidades. El motor eléctrico compacto, trifásico de alta tensión, con un peso de solo 40 Kg, produce más de 74 kW (99 CV / 101 PS) que aplicado durante la aceleración, proporciona un aumento de par motor instantáneo, tanto en el momento del arranque desde 0 como durante los adelantamientos. En situaciones de conducción urbana, el sistema puede utilizar exclusivamente el motor eléctrico, lo que significa que no utiliza la unidad de gasolina, reduciendo consumos y emisiones contaminantes.. Las baterías también se pueden recargar mediante la recuperación de energía cinética (KERS) durante las condiciones de frenado. Un módulo de electrónica dedicada controla esta fase y también los elementos auxiliares, tales como la dirección asistida y aire acondicionado, gracias a un generador montado en el motor V12 del vehículo. Ferrari reconoce que todavía falta resolver varias incógnitas de su primer modelo híbrido, sobre todo el de los proveedores, ya que se necesitan los más avanzados.
De todas maneras las primeras pruebas realizadas han dado unos resultados esperanzadores, alrededor de un 35% de reducción del consumo y las emisiones, manteniendo el sonido tradicional de los motores Ferrari y el mismo comportamiento de siempre.
